銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法
【課題】いったん鉄鋼中に溶解してしまった銅を鉄鋼中から選択除去し、自動車用等にも使用できる高級鋼に再生することができる安全で、効率のよい方法を提供する。
【解決手段】銅を不純物として含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入することにより、溶鉄中の銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去する。
【解決手段】銅を不純物として含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入することにより、溶鉄中の銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は銅元素を不純物として含有する、例えば鉄鋼スクラップの溶鉄中から銅を選択的に気相分離して除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用済み自動車(以下「ＥＬＶ」という。)は、自動車リサイクル法に従って収集され、再資源化されている。一般に、ＥＬＶは、直接利用できる部分が解体により取り分けられ、直接利用できない残部はプレスあるいは破砕され、製鉄原料となる。解体されたＥＬＶを構成する主たる物質は鉄鋼である。ＥＬＶの鉄鋼スクラップは、電気炉や転炉型の新製鋼法により鉄鋼として再生される。しかし、この鉄鋼スクラップには、自動車内の配線やその他の部品を由来とする銅が残留していることが多く、再生される鉄鋼製品の品質を劣化させる原因となっている。このため、ＥＬＶ由来の製鉄原料中の銅含有量は、0.3％以下であることが要求されている。この要求を満たすため、自動車解体業者は、手選別を含む丁寧な材料選別作業を行っているが、それでも見落としがあり、要求を満たさないことがある。
【０００３】
銅を含有する製鉄原料が溶解されると、現行の酸素を利用する酸化精錬法では銅を除去できないことを、化学熱力学は教えている。銅の除去が化学熱力学的に可能であると考えられるいくつかの方法が、非特許文献１に記載されている。その一つは、硫化物フラックスを使用する方法である。しかし、この方法では、鉄中の銅を吸収した後のフラックスの処理に問題があり、実用化に至っていない。また同文献には、塩化鉄を使用する方法が記載されている。しかし、この方法も、反応効率が悪いために実用化に至っていない。
【０００４】
銅を含有する製鉄原料を使用して生産される鉄鋼製品中の銅濃度を低減させるための現行の技術は、銅を含有しない高級鋼の端材等により希釈するという方法である。しかし、この方法により得られる鉄鋼製品中には、当然少量の銅が残存することになるため、自動車用材料のような高級鋼としては利用できない。この希釈法の実施が継続される限り、希釈に使用できる高級製鉄原料が不足することになり、早晩、自動車リサイクルがうまく回らなくなる日が来る。
【非特許文献１】（社）日本鉄鋼協会 １９９６年２月発行「鉄スクラップ中のトランプエレメント分離法に関する基礎的検討」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、いったん鉄鋼中に溶解してしまった銅を鉄鋼中から選択除去し、自動車用等にも使用できる高級鋼を再生することを可能とする、安全で、効率のよい方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、銅を不純物として含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入することにより、溶鉄中の銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
銅を含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入すると、気化して溶鉄中の銅と反応し、気体のヨウ化銅となり、キャリアガスによって溶鉄から除去される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面について本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施に用いた反応装置の概略的断面図である。
【０００９】
図１において、モリブデンシリサイドを発熱体とする電気炉１内に、アルミナ製反応管２が縦方向に配置される。反応管２は、この実施例において、外径60mm、内径52mm、長さ1000mmで、上下端はシリコンゴム栓３，４で封じられる。反応管２内に、アルミナ製の支持棒６で下部を支持されたアルミナ製のるつぼ台５が配置され、その上にアルミナ製のるつぼ７が配置される。るつぼ７は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmで、その上縁には、吹きこぼれを防止するためのアルミナ管８が配置される。アルミナ管８は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmである。上部のシリコンゴム栓３を気密に貫通して、カプセルガイド管９とキャリアガス導入管１０が反応管２内に導入される。カプセルガイド管９は、外径20mm、内径16mm、長さ300mmのアルミナ管で、下端はるつぼ７の上方に配置される。下部のシリコンゴム栓４を気密に貫通して、支持棒６が外部に突出し、またキャリアガス排出管１１が反応管２外に導出される。るつぼ７内には、2％の銅を含有する100ｇの鋼−銅合金又は銑鉄−銅合金（以下、これらの合金の溶解物を「溶鉄」という。）２１が収容され、1650℃で溶解される。キャリアガス導入管１０からは反応管２内に常時キャリアガスとしてのアルゴンガスが導入され、キャリアガス排出管１１から排出される。
直径約2mmの粒状ヨウ素１３（0.5g）を図２に示す鉄製カプセル１２に充填し、カプセルガイド管９を経由してるつぼ７内の溶融した溶鉄２１中に所要数投入する。カプセルガイド管９の上端は、カプセル投入時以外はゴム栓等で閉じられる。
【００１０】
ヨウ素は、沸点が184．3℃と比較的低いので、直接るつぼ７内に投入すると、溶鉄の表面に到達する前に気化して溶鉄２１中に投入することができず、精錬作用が発生しない。カプセル１２に封入するのは、溶鉄２１中への投入を確実にするためである。カプセル１２は、アルミニウム製、その他の適宜な金属製とすることもできる。
【００１１】
カプセル１２は、外径8mm、内径6mmの市販の軟鉄管を長さ30mmに切断し、その一端をカシメて閉じておき、他端側から内部に所定量のヨウ素１３を充填した後カシメて封止することにより作製される。カプセル１２の風袋質量は、5ｇである。
【００１２】
反応で生成された気体のヨウ化銅は、キャリアガスと共に、キャリアガス排出管１１を経由して反応管２から排出される。キャリアガスとしては、窒素やアルゴン等の製鉄所で通常使用されている不活性ガスが用いられる。装置外に搬出されたヨウ化銅は、温度が下がるので、粉体のヨウ化銅となる。粉体のヨウ化銅を回収して高純度銅の原料として使用できる。
【００１３】
図３は、質量百分率で2％の銅を含有する1650℃の溶融した鋼−銅合金（溶鉄）にヨウ素を投入したときの銅の除去率（脱銅率）を示すグラフである。横軸は投入したヨウ素の質量、縦軸は銅の除去率である。脱銅率は、以下のように定義される。
【００１４】
脱銅率＝（反応で除去された銅の質量／溶鉄中に存在した銅の質量）×100
図３は、鋼−銅合金中の銅が、ヨウ素と反応して合金から除去されることを示している。
【００１５】
ヨウ素は、常温で固体であり、防護処置なしに大気中での取り扱いが可能であり、また投入装置の防食処置等も不要で、取り扱いが容易である。カプセルに封入可能であれば、ヨウ素は固体である必要はない
【００１６】
溶鉄とヨウ素の良好な量的関係は、使用する装置の特性により異なるから、使用する装置ごとに経験的に決定する。
【００１７】
ヨウ素をキャリアガスにより溶鉄中へ搬送する場合の反応装置の実施例を図４に示す。図４において、シリコンカーバイドを発熱体とする電気炉３１内に、アルミナ製反応管３２が縦方向に配置される。反応管３２は、この実施例において、外径60mm、内径52mm、長さ1000mmで、上下端はシリコンゴム栓３３，３４で封じられている。上部シリコンゴム栓３３には、サンプリング用ガラス管３５が貫通している。サンプリング用ガラス管３５はサンプリング時以外はシリコンゴム栓３６で常時封じられている。反応管３２内に、アルミナ製支持台３７で下部を支持されたグラファイト製のるつぼ３８が配置される。るつぼ３８は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmで、その中に約50gの銑鉄−銅合金（溶鉄）２１が収容され、1350℃で溶解される。るつぼ３８と反応管３２の空隙には、反応管３２を保護するためのアルミナ製内筒３９が配置される。アルミナ製内筒３９は、この実施例において、外径46mm、内径40mm、高さ500mmである。このアルミナ製内筒３９は、下部のシリコンゴム栓３４，４０を気密に貫通して、反応生成物捕集槽４１に挿入されている。不活性ガス導入管４２は、外径10mm、内径8mm、長さ300mmの石英製管で、その下端がグラファイト製ノズル４３に接続されている。グラファイト製ノズル４３は外径12mm,内径10mmで上端に不活性ガス導入管４２の下端が差込まれている。グラファイト製ノズル４３は溶鉄２１内に導入され、その下端は、るつぼ２１の底部付近に到達している。
不活性ガス導入管４２の上部にヨウ素１３の貯蔵槽４４が取り付けられており、ヨウ素貯蔵槽４４の下部にはヨウ素切り出し装置４５が設置されている。不活性ガス導入管４２の上部から不活性ガス（この実施例の場合N2）が導入され、この不活性ガス中にヨウ素切り出し装置４５によってヨウ素貯蔵槽４４中の粉体のヨウ素１３が0.2g/min程度の速度で供給される。不活性ガスによってヨウ素はるつぼ７の底にまで搬送される。ヨウ素１３は沸点が184．3℃と比較的低いので、るつぼ３８の底部付近の溶鉄２１にまで到達したヨウ素は気化して不活性ガスと混合し、気泡となって溶鉄２１中を上昇しながら溶鉄中の銅と反応する。溶鉄と接触した後の不活性ガスと気体のヨウ素は反応生成物捕集槽４１に到達して冷却され、反応生成物であるヨウ化銅を固体として放出する。反応生成物を放出した不活性ガスは不活性ガス排出管４６から大気中に放出される。
ヨウ素をキャリアガスにより溶鉄中に搬送する方法は、本方法に限らず、例えば鉄鋼の2次精錬装置であるRH装置における還流用不活性ガス中に含ませることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施に用いた反応装置の概略的断面図である。
【図２】ヨウ素を封入する金属製カプセルの概略的断面図である。
【図３】質量百分率で2％の銅を含有する1650℃の溶融した鋼−銅合金（溶鉄）にヨウ素を投入したときの銅の除去率（脱銅率）を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態に用いた反応装置の概略的断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１ 電気炉
２ 反応管
３ シリコンゴム栓
４ シリコンゴム栓
５ るつぼ台
６ 支持棒
７ るつぼ
８ アルミナ管
９ カプセルガイド管
１０ キャリアガス導入管
１１ キャリアガス排出管
１２ カプセル
１３ ヨウ素
２１ 溶鉄
３１ 電気炉
３２ 反応管
３３ シリコンゴム栓
３４ シリコンゴム栓
３５ サンプリング用ガラス管
３６ シリコンゴム栓
３７ るつぼ台
３８ るつぼ
３９ 内筒
４０ シリコンゴム栓
４１ 反応生成物捕集槽
４２ 不活性ガス導入管。
４３ グラファイト製ノズル。
４４ ヨウ素貯蔵槽
４５ ヨウ素切り出し装置
４６ 不活性ガス排出管
【技術分野】
【０００１】
本発明は銅元素を不純物として含有する、例えば鉄鋼スクラップの溶鉄中から銅を選択的に気相分離して除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用済み自動車(以下「ＥＬＶ」という。)は、自動車リサイクル法に従って収集され、再資源化されている。一般に、ＥＬＶは、直接利用できる部分が解体により取り分けられ、直接利用できない残部はプレスあるいは破砕され、製鉄原料となる。解体されたＥＬＶを構成する主たる物質は鉄鋼である。ＥＬＶの鉄鋼スクラップは、電気炉や転炉型の新製鋼法により鉄鋼として再生される。しかし、この鉄鋼スクラップには、自動車内の配線やその他の部品を由来とする銅が残留していることが多く、再生される鉄鋼製品の品質を劣化させる原因となっている。このため、ＥＬＶ由来の製鉄原料中の銅含有量は、0.3％以下であることが要求されている。この要求を満たすため、自動車解体業者は、手選別を含む丁寧な材料選別作業を行っているが、それでも見落としがあり、要求を満たさないことがある。
【０００３】
銅を含有する製鉄原料が溶解されると、現行の酸素を利用する酸化精錬法では銅を除去できないことを、化学熱力学は教えている。銅の除去が化学熱力学的に可能であると考えられるいくつかの方法が、非特許文献１に記載されている。その一つは、硫化物フラックスを使用する方法である。しかし、この方法では、鉄中の銅を吸収した後のフラックスの処理に問題があり、実用化に至っていない。また同文献には、塩化鉄を使用する方法が記載されている。しかし、この方法も、反応効率が悪いために実用化に至っていない。
【０００４】
銅を含有する製鉄原料を使用して生産される鉄鋼製品中の銅濃度を低減させるための現行の技術は、銅を含有しない高級鋼の端材等により希釈するという方法である。しかし、この方法により得られる鉄鋼製品中には、当然少量の銅が残存することになるため、自動車用材料のような高級鋼としては利用できない。この希釈法の実施が継続される限り、希釈に使用できる高級製鉄原料が不足することになり、早晩、自動車リサイクルがうまく回らなくなる日が来る。
【非特許文献１】（社）日本鉄鋼協会 １９９６年２月発行「鉄スクラップ中のトランプエレメント分離法に関する基礎的検討」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、いったん鉄鋼中に溶解してしまった銅を鉄鋼中から選択除去し、自動車用等にも使用できる高級鋼を再生することを可能とする、安全で、効率のよい方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、銅を不純物として含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入することにより、溶鉄中の銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
銅を含有する溶鉄中に、ヨウ素を投入すると、気化して溶鉄中の銅と反応し、気体のヨウ化銅となり、キャリアガスによって溶鉄から除去される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面について本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施に用いた反応装置の概略的断面図である。
【０００９】
図１において、モリブデンシリサイドを発熱体とする電気炉１内に、アルミナ製反応管２が縦方向に配置される。反応管２は、この実施例において、外径60mm、内径52mm、長さ1000mmで、上下端はシリコンゴム栓３，４で封じられる。反応管２内に、アルミナ製の支持棒６で下部を支持されたアルミナ製のるつぼ台５が配置され、その上にアルミナ製のるつぼ７が配置される。るつぼ７は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmで、その上縁には、吹きこぼれを防止するためのアルミナ管８が配置される。アルミナ管８は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmである。上部のシリコンゴム栓３を気密に貫通して、カプセルガイド管９とキャリアガス導入管１０が反応管２内に導入される。カプセルガイド管９は、外径20mm、内径16mm、長さ300mmのアルミナ管で、下端はるつぼ７の上方に配置される。下部のシリコンゴム栓４を気密に貫通して、支持棒６が外部に突出し、またキャリアガス排出管１１が反応管２外に導出される。るつぼ７内には、2％の銅を含有する100ｇの鋼−銅合金又は銑鉄−銅合金（以下、これらの合金の溶解物を「溶鉄」という。）２１が収容され、1650℃で溶解される。キャリアガス導入管１０からは反応管２内に常時キャリアガスとしてのアルゴンガスが導入され、キャリアガス排出管１１から排出される。
直径約2mmの粒状ヨウ素１３（0.5g）を図２に示す鉄製カプセル１２に充填し、カプセルガイド管９を経由してるつぼ７内の溶融した溶鉄２１中に所要数投入する。カプセルガイド管９の上端は、カプセル投入時以外はゴム栓等で閉じられる。
【００１０】
ヨウ素は、沸点が184．3℃と比較的低いので、直接るつぼ７内に投入すると、溶鉄の表面に到達する前に気化して溶鉄２１中に投入することができず、精錬作用が発生しない。カプセル１２に封入するのは、溶鉄２１中への投入を確実にするためである。カプセル１２は、アルミニウム製、その他の適宜な金属製とすることもできる。
【００１１】
カプセル１２は、外径8mm、内径6mmの市販の軟鉄管を長さ30mmに切断し、その一端をカシメて閉じておき、他端側から内部に所定量のヨウ素１３を充填した後カシメて封止することにより作製される。カプセル１２の風袋質量は、5ｇである。
【００１２】
反応で生成された気体のヨウ化銅は、キャリアガスと共に、キャリアガス排出管１１を経由して反応管２から排出される。キャリアガスとしては、窒素やアルゴン等の製鉄所で通常使用されている不活性ガスが用いられる。装置外に搬出されたヨウ化銅は、温度が下がるので、粉体のヨウ化銅となる。粉体のヨウ化銅を回収して高純度銅の原料として使用できる。
【００１３】
図３は、質量百分率で2％の銅を含有する1650℃の溶融した鋼−銅合金（溶鉄）にヨウ素を投入したときの銅の除去率（脱銅率）を示すグラフである。横軸は投入したヨウ素の質量、縦軸は銅の除去率である。脱銅率は、以下のように定義される。
【００１４】
脱銅率＝（反応で除去された銅の質量／溶鉄中に存在した銅の質量）×100
図３は、鋼−銅合金中の銅が、ヨウ素と反応して合金から除去されることを示している。
【００１５】
ヨウ素は、常温で固体であり、防護処置なしに大気中での取り扱いが可能であり、また投入装置の防食処置等も不要で、取り扱いが容易である。カプセルに封入可能であれば、ヨウ素は固体である必要はない
【００１６】
溶鉄とヨウ素の良好な量的関係は、使用する装置の特性により異なるから、使用する装置ごとに経験的に決定する。
【００１７】
ヨウ素をキャリアガスにより溶鉄中へ搬送する場合の反応装置の実施例を図４に示す。図４において、シリコンカーバイドを発熱体とする電気炉３１内に、アルミナ製反応管３２が縦方向に配置される。反応管３２は、この実施例において、外径60mm、内径52mm、長さ1000mmで、上下端はシリコンゴム栓３３，３４で封じられている。上部シリコンゴム栓３３には、サンプリング用ガラス管３５が貫通している。サンプリング用ガラス管３５はサンプリング時以外はシリコンゴム栓３６で常時封じられている。反応管３２内に、アルミナ製支持台３７で下部を支持されたグラファイト製のるつぼ３８が配置される。るつぼ３８は、この実施例において、外径35mm、内径30mm、高さ150mmで、その中に約50gの銑鉄−銅合金（溶鉄）２１が収容され、1350℃で溶解される。るつぼ３８と反応管３２の空隙には、反応管３２を保護するためのアルミナ製内筒３９が配置される。アルミナ製内筒３９は、この実施例において、外径46mm、内径40mm、高さ500mmである。このアルミナ製内筒３９は、下部のシリコンゴム栓３４，４０を気密に貫通して、反応生成物捕集槽４１に挿入されている。不活性ガス導入管４２は、外径10mm、内径8mm、長さ300mmの石英製管で、その下端がグラファイト製ノズル４３に接続されている。グラファイト製ノズル４３は外径12mm,内径10mmで上端に不活性ガス導入管４２の下端が差込まれている。グラファイト製ノズル４３は溶鉄２１内に導入され、その下端は、るつぼ２１の底部付近に到達している。
不活性ガス導入管４２の上部にヨウ素１３の貯蔵槽４４が取り付けられており、ヨウ素貯蔵槽４４の下部にはヨウ素切り出し装置４５が設置されている。不活性ガス導入管４２の上部から不活性ガス（この実施例の場合N2）が導入され、この不活性ガス中にヨウ素切り出し装置４５によってヨウ素貯蔵槽４４中の粉体のヨウ素１３が0.2g/min程度の速度で供給される。不活性ガスによってヨウ素はるつぼ７の底にまで搬送される。ヨウ素１３は沸点が184．3℃と比較的低いので、るつぼ３８の底部付近の溶鉄２１にまで到達したヨウ素は気化して不活性ガスと混合し、気泡となって溶鉄２１中を上昇しながら溶鉄中の銅と反応する。溶鉄と接触した後の不活性ガスと気体のヨウ素は反応生成物捕集槽４１に到達して冷却され、反応生成物であるヨウ化銅を固体として放出する。反応生成物を放出した不活性ガスは不活性ガス排出管４６から大気中に放出される。
ヨウ素をキャリアガスにより溶鉄中に搬送する方法は、本方法に限らず、例えば鉄鋼の2次精錬装置であるRH装置における還流用不活性ガス中に含ませることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施に用いた反応装置の概略的断面図である。
【図２】ヨウ素を封入する金属製カプセルの概略的断面図である。
【図３】質量百分率で2％の銅を含有する1650℃の溶融した鋼−銅合金（溶鉄）にヨウ素を投入したときの銅の除去率（脱銅率）を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態に用いた反応装置の概略的断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１ 電気炉
２ 反応管
３ シリコンゴム栓
４ シリコンゴム栓
５ るつぼ台
６ 支持棒
７ るつぼ
８ アルミナ管
９ カプセルガイド管
１０ キャリアガス導入管
１１ キャリアガス排出管
１２ カプセル
１３ ヨウ素
２１ 溶鉄
３１ 電気炉
３２ 反応管
３３ シリコンゴム栓
３４ シリコンゴム栓
３５ サンプリング用ガラス管
３６ シリコンゴム栓
３７ るつぼ台
３８ るつぼ
３９ 内筒
４０ シリコンゴム栓
４１ 反応生成物捕集槽
４２ 不活性ガス導入管。
４３ グラファイト製ノズル。
４４ ヨウ素貯蔵槽
４５ ヨウ素切り出し装置
４６ 不活性ガス排出管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を不純物として含有する溶鉄中にヨウ素を投入することにより、前記銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去することを特徴とする銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【請求項２】
前記ヨウ素を金属製の密閉容器に充填して溶鉄中に投入することを特徴とする請求項１に記載の銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【請求項３】
前記ヨウ素をキャリアガスで搬送することにより溶鉄中に投入することを特徴とする請求項１に記載の銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【請求項１】
銅を不純物として含有する溶鉄中にヨウ素を投入することにより、前記銅を気体のヨウ化銅として溶鉄中から除去することを特徴とする銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【請求項２】
前記ヨウ素を金属製の密閉容器に充填して溶鉄中に投入することを特徴とする請求項１に記載の銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【請求項３】
前記ヨウ素をキャリアガスで搬送することにより溶鉄中に投入することを特徴とする請求項１に記載の銅含有溶鉄中からヨウ化銅として銅を除去する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１９００１１（Ｐ２００８−１９００１１Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７２６６（Ｐ２００７−２７２６６）
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（５９８１６３０６４）学校法人千葉工業大学 (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（５９８１６３０６４）学校法人千葉工業大学 (101)
【Ｆターム（参考）】
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